Vue d’ensemble
La thermodynamique explique le fonctionnement des systèmes de réfrigération, de climatisation et des pompes à chaleur (PAC). Ces principes servent de base à la préparation au certificat A1 de l’UE selon le règlement d’exécution (UE) 2024/2215.
Unités SI et mesures
- Pression : pascal (Pa) ; 1 Pa = 1 N/m². Exactement 1 bar = 100 kPa.
- Température : kelvin (K). Ajoutez 273,15 à la température en degrés Celsius ; 0 K = −273,15 °C. Les deux échelles ont des intervalles égaux, mais jamais des valeurs numériques égales.
- Énergie : joule (J). Puissance : watt (W) ; 1 W = 1 J/s.
- Masse : kilogramme (kg). La masse volumique (kg/m³) est l’inverse du volume massique (m³/kg).
Pression et température
Pression absolue = pression manométrique + pression atmosphérique, cette dernière valant environ 1,013 bar. La pression manométrique prend l’atmosphère comme référence ; la pression absolue prend le vide comme référence. Vérifiez la référence de pression des tableaux pression-température propres à chaque fluide frigorigène.
Une pression plus élevée augmente la température de saturation. Chauffer un gaz emprisonné à volume constant augmente sa pression. Loi de Dalton : la pression totale est égale à la somme des pressions partielles ; l’air emprisonné augmente la pression de refoulement.
- Surchauffe : température de la vapeur moins température de saturation à la même pression. Ainsi, −4 °C − (−10 °C) = 6 K. Elle protège contre les coups de liquide ; une surchauffe excessive augmente la température de refoulement et réduit la puissance frigorifique.
- Sous-refroidissement : température de saturation moins température du liquide. Ainsi, 40 °C − 35 °C = 5 K. Un sous-refroidissement plus important réduit la formation de gaz instantané et augmente l’effet frigorifique.
Mesurez simultanément la pression et la température de la tuyauterie. Pour les mélanges, utilisez la température au point de rosée pour la surchauffe et celle au point de bulle pour le sous-refroidissement. Un détendeur thermostatique (TEV) régule la surchauffe à la sortie de l’évaporateur.
Transferts de chaleur
- Conduction : à travers les parois des tuyauteries.
- Convection : par le mouvement de l’air ou d’un liquide.
- Rayonnement : par des ondes électromagnétiques.
L’énergie se conserve. La chaleur passe naturellement des corps les plus chauds aux corps les plus froids ; la réfrigération nécessite un travail pour inverser ce transfert. L’entropie d’un système isolé augmente lors des transformations irréversibles et reste constante lors des transformations réversibles.
Le cycle frigorifique
- Compresseur : reçoit de la vapeur surchauffée à basse pression ; la pression et la température sont les plus élevées au refoulement.
- Condenseur : désurchauffe la vapeur, la condense et sous-refroidit le liquide. La chaleur rejetée est égale à la chaleur absorbée par l’évaporateur plus l’énergie de compression.
- Dispositif de détente : abaisse la pression et la température à enthalpie approximativement constante. Une partie du liquide se vaporise instantanément, refroidissant le liquide restant.
- Évaporateur : absorbe la chaleur, principalement par ébullition, puis surchauffe la vapeur.
Chaleur latente et chaleur sensible
La chaleur sensible modifie la température sans changement de phase. La chaleur latente provoque un changement de phase, à température constante pour les fluides frigorigènes purs à pression constante.
Le liquide saturé est à son point de bulle ; la vapeur saturée est à son point de rosée. Les mélanges zéotropiques, comme le R-407C, présentent un glissement de température. Une fuite peut provoquer un fractionnement, modifiant la composition, les pressions et la puissance frigorifique ; un appoint peut ne pas rétablir les performances. Chargez ces mélanges à l’état liquide tout en empêchant le liquide de pénétrer dans le compresseur. Les mélanges azéotropiques présentent un glissement négligeable.
Diagrammes pression-enthalpie
La pression figure sur l’axe vertical, généralement logarithmique ; l’enthalpie massique (kJ/kg) figure sur l’axe horizontal.
- Zones : liquide sous-refroidi à gauche de la cloche de saturation, mélange liquide-vapeur à l’intérieur, vapeur surchauffée à droite. La fraction de vapeur augmente de gauche à droite dans la cloche.
- Évaporation : horizontale vers la droite ; condensation : horizontale vers la gauche, en supposant une pression constante.
- Détente : verticale vers le bas à enthalpie constante.
- Compression idéale : suit une courbe ascendante à entropie constante ; la compression réelle nécessite davantage de travail.
Performances du cycle et diagnostic des pannes
L’effet frigorifique net est la chaleur absorbée par kilogramme lors de l’évaporation et de la surchauffe utile. La puissance frigorifique est égale au débit massique multiplié par cet effet.
COP frigorifique = puissance frigorifique ÷ puissance absorbée par le compresseur. Un COP de 3 signifie une puissance frigorifique de 3 kW pour 1 kW absorbé. Une température d’évaporation plus élevée ou une température de condensation plus basse améliore le COP. Rapport de compression = pression absolue de refoulement ÷ pression absolue d’aspiration ; des rapports plus élevés réduisent le rendement volumétrique. Le SEER pondère l’efficacité selon les conditions saisonnières à charge partielle.
Ces situations d’examen illustrent les symptômes des pannes ; le comportement réel dépend des dispositifs de régulation du système :
| Panne | Changements attendus |
|---|---|
| Fuite de fluide frigorigène | Les deux pressions diminuent ; la surchauffe et la température de refoulement augmentent ; le sous-refroidissement devient nul. |
| Détendeur thermostatique bloqué en position ouverte | La pression d’évaporation augmente ; la surchauffe diminue ; le liquide risque d’endommager le compresseur. |
| Débit d’air réduit au condenseur | Les deux pressions et la température de refoulement augmentent ; le sous-refroidissement disparaît. |
| Débit d’air réduit à l’évaporateur | Les deux pressions et la température de refoulement diminuent ; le détendeur thermostatique maintient la surchauffe ; le sous-refroidissement devient nul. |
Conseil pour l’examen : Utilisez les pressions absolues pour calculer les rapports de compression. Exprimez la surchauffe et le sous-refroidissement en K. Interprétez conjointement les mesures de pression, de température et de débit d’air.
